特許 7557683 レーザ装置および伝送ファイバ接続調整方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-19

(45)【発行日】2024-09-30

(54)【発明の名称】レーザ装置および伝送ファイバ接続調整方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/042 20140101AFI20240920BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20240920BHJP

   G02B 6/32 20060101ALI20240920BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

B23K26/042

G02B6/42

G02B6/32

B23K26/064 K

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2024023240

(22)【出願日】2024-02-19

【審査請求日】2024-02-19

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】堂本 真也

(72)【発明者】

【氏名】丸山 遼士

(72)【発明者】

【氏名】江泉 清隆

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１５５１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２２７６８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１７８７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０４７４６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－３３８９１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１０４１４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／０４２

Ｇ０２Ｂ ６／４２

Ｇ０２Ｂ ６／３２

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズで集光された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、
前記伝送ファイバから出射された前記レーザ光を被対象物に照射する加工ヘッドと、
前記集光レンズの位置を調整する集光レンズ調整部と、
前記集光レンズで集光された前記レーザ光の光軸に対する前記伝送ファイバの中心軸の角度を調整する入射側角度調整部と、を有し、
前記加工ヘッドは、
前記伝送ファイバから出射された前記レーザ光の一部を反射する部分反射ミラーと、
前記部分反射ミラーで反射された前記レーザ光を受光し、前記レーザ光のスポット径および強度を出力する光検出器と、を有し、
前記集光レンズ調整部は、
前記光検出器で出力された前記レーザ光の強度が閾値以上となるように調整され、
前記入射側角度調整部は、
前記光検出器で出力された前記レーザ光のスポット径が基準サイズ以下となるように調整されるレーザ装置。

【請求項2】

レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズで集光された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、
前記伝送ファイバが接続される接続端面を有し、前記伝送ファイバから出射された前記レーザ光を被対象物に照射する加工ヘッドと、
前記集光レンズで集光された前記レーザ光の光軸に対する前記伝送ファイバの中心軸の角度を調整する入射側角度調整部と、
前記加工ヘッドの前記接続端面に対する前記伝送ファイバの出射端面の角度を調整する出射側角度調整部と、を有し、
前記加工ヘッドは、
前記伝送ファイバから出射された前記レーザ光の一部を反射する部分反射ミラーと、
前記部分反射ミラーで反射された前記レーザ光を受光し、前記レーザ光のスポット径を出力する光検出器と、を有し、
前記入射側角度調整部は、
前記光検出器で出力された前記レーザ光のスポット径が基準サイズ以下となるように調整され、
前期出射側角度調整部は、
前記光検出器で出力された前記レーザ光のスポット径の中心位置と予め設定されたスポット径の中心位置とが所定の位置関係となるように調整されるレーザ装置。

【請求項3】

前記加工ヘッドは、前記部分反射ミラー以前の光路系にコリメートレンズをさらに備える請求項１または２に記載のレーザ装置。

【請求項4】

レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズで集光された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、を備え、
前記伝送ファイバから出射される前記レーザ光のスポット径が基準サイズ以下となるように、前記集光レンズで集光された前記レーザ光の光軸に対する前記伝送ファイバの中心軸の角度を調整するステップと、
前記伝送ファイバから出射される前記レーザ光の強度が閾値以上となるように、集光レンズの位置を調整するステップと、を有する伝送ファイバ接続調整方法。

【請求項5】

請求項２に記載のレーザ装置を用いる伝送ファイバ接続調整方法であって、
前記出射側角度調整部の調整は、前記入射側角度調整部の調整よりも前に行う伝送ファイバ接続調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、伝送ファイバへの入射位置及び入射角度をモニタ可能なレーザ装置および伝送ファイバ接続調整方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

レーザ加工において、レーザ光源から出射されたレーザ光は伝送ファイバから加工ヘッドに導光されワークに向けて照射される。

【0003】

ここで、伝送ファイバのコアは、中心位置や中心軸の偏角に個体差をもっている。よって、加工ヘッドから照射されるレーザ光の特性は装着される伝送ファイバが変わる度変化してしまっていた。したがって、伝送ファイバの交換時には、加工ヘッド内の光学部品を調整するなどして個体ごとにレーザ光の特性が所望の結果となる条件を見つける必要があった。また、このことは、伝送ファイバの交換作業を含む復旧作業の時間（ダウンタイム）を長引かせる要因となっていた。

【0004】

特許文献１では、伝送ファイバの交換時において、伝送ファイバの入射端面をモニタし、その結果を基にレーザ光の集光点を入射端面の中心に調整することで、伝送ファイバの交換作業を容易にする手法を提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平７―１０４１４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１では、伝送ファイバに入射するレーザ光の角度については考慮されていなかった。伝送ファイバへの入射角度は伝送ファイバから出射されるレーザ光のビーム品質に大きく影響する。よって、伝送ファイバ交換後に入射角度が変化した場合、ビーム品質が悪化する恐れがあった。

【0007】

そこで、本開示では、伝送ファイバに入射するレーザ光の入射角度をより容易に適切な条件に調整できるレーザ装置及び伝送ファイバ接続調整方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示に係るレーザ装置は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、前記伝送ファイバから出射された前記レーザ光を被対象物に照射する加工ヘッドと、前記集光レンズの位置を調整する集光レンズ調整部と、前記集光レンズで集光された前記レーザ光の光軸に対する前記伝送ファイバの中心軸の角度を調整する入射側角度調整部と、を有する。前記加工ヘッドは、前記伝送ファイバから出射された前記レーザ光の一部を反射する部分反射ミラーと、前記部分反射ミラーで反射された前記レーザ光を受光し、前記レーザ光のスポット径および強度を出力する光検出器と、を有する。前記集光レンズ調整部は、前記光検出器で出力された前記レーザ光の強度が閾値以上となるように調整され、前記入射側角度調整部は、前記光検出器で出力された前記レーザ光のスポット径が基準サイズ以下となるように調整される。
また、本開示に係るレーザ装置は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、前記伝送ファイバが接続される接続端面を有し、前記伝送ファイバから出射された前記レーザ光を被対象物に照射する加工ヘッドと、前記集光レンズで集光された前記レーザ光の光軸に対する前記伝送ファイバの中心軸の角度を調整する入射側角度調整部と、前記加工ヘッドの前記接続端面に対する前記伝送ファイバの出射端面の角度を調整する出射側角度調整部を有する。前記加工ヘッドは、前記伝送ファイバから出射された前記レーザ光の一部を反射する部分反射ミラーと、前記部分反射ミラーで反射された前記レーザ光を受光し、前記レーザ光のスポット径を出力する光検出器と、を有する。前記入射側角度調整部は、前記光検出器で出力された前記レーザ光のスポット径が基準サイズ以下となるように調整され、前期出射側角度調整部は、前記光検出器で出力された前記レーザ光のスポット径の中心位置と予め設定されたスポット径の中心位置とが所定の位置関係となるように調整される。

【0009】

本開示に係る伝送ファイバ接続調整方法は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザ光を集光する集光レンズと、集光レンズで集光されたレーザ光を伝送する伝送ファイバと、を備える。また、伝送ファイバから出射されるレーザ光のスポット径が基準サイズ以下となるように、集光レンズで集光されたレーザ光の光軸に対する伝送ファイバの中心軸の角度を調整するステップと、前記伝送ファイバから出射される前記レーザ光の強度が閾値以上となるように、集光レンズの位置を調整するステップと、を有する。

【発明の効果】

【0010】

本開示に係るレーザ装置及び伝送ファイバ接続調整方法は、伝送ファイバに入射するレーザ光の入射角度をより容易に適切な条件に調整できる。これにより、伝送ファイバの交換及びそれに伴う調整作業が容易となり、ダウンタイムの削減、さらには、作業者の負担を軽減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態に係るレーザ装置の概要図

【図2】実施の形態１を説明する概念図

【図3】角度調整部の概念図

【図4】コア中心に個体差をもつ伝送ファイバの断面図

【図5】コア中心の個体差検知を説明する概念図

【図6】コアの中心軸の偏角に個体差をもつ伝送ファイバを説明する概念図

【図7】入射側角度調整部の調整を説明する概念図

【図8】出射側角度調整部の調整を説明する概念図

【図9】伝送ファイバ交換後の接続調整手順を示した図

【図10】実施の形態２を説明する概念図

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示に係るレーザ装置の実施の形態を、図面に基づき説明する。なお、下記に開示される実施の形態はすべて例示であって、本開示に係るレーザ装置に制限を加える意図はない。例えば、本開示に係るレーザ装置は、ダイレクトダイオードレーザを用いるものを想定し説明するが、これに限るものではなくファイバレーザやディスクレーザ等を用いるものであってもよい。

【0013】

また、下記に開示される実施の形態では、必要以上の詳細な説明を省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項についての詳細な説明や、実質的に同一の構成についての重複する説明を、省略する場合がある。これは、説明が不必要に冗長になるのを避けることで、当業者の理解を容易にするためである。

【0014】

［実施の形態１］
図１は、実施の形態に係るレーザ装置の外観図である。図１に示すように、レーザ装置１はレーザ発振器１０、伝送ファイバ５０、加工ヘッド６０、制御部８０を有する。レーザ発振器１０は、例えば、波長合成技術を用いたダイレクトダイオードレーザであって、複数のレーザモジュール２０とビーム合成器３０と集光ユニット４０を有する。

【0015】

レーザ発振器１０は、複数のレーザモジュール２０からそれぞれ出射されたレーザ光をビーム合成器３０で一つのレーザ光３に合成する。なお、レーザモジュール２０は、複数のレーザダイオード、例えば、半導体レーザアレイで構成されている。

【0016】

集光ユニット４０は、ビーム合成器３０で合成されたレーザ光３を集光する。レーザ発振器１０をこのような構成とすることで、レーザ光３の出力が数ＫＷを超える高出力のレーザ装置１を得ることができる。

【0017】

伝送ファイバ５０は、集光ユニット４０で集光されたレーザ光３を加工ヘッド６０に伝送する。また、加工ヘッド６０は伝送ファイバ５０によって伝送されたレーザ光３を被対象物２に照射する。

【0018】

図２は、実施の形態１を説明する概念図である。また、図２はレーザ光３の進行方向も示している。

【0019】

図２に示すように、ビーム合成器３０はミラー３１を有する。ミラー３１は、合成されたレーザ光３を反射することでレーザ光３を集光ユニット４０に導光する。

【0020】

集光ユニット４０は、集光ハウジング４９、入射側保持部４２、入射側角度調整部４４を有する。

【0021】

集光ハウジング４９は、入射側集光レンズ４１と、集光レンズ調整部４３を有する。入射側集光レンズ４１は、ミラー３１で反射されたレーザ光３を伝送ファイバ５０に向けて集光する。また、集光レンズ調整部４３は、入射側集光レンズ４１の位置をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に調整する。集光レンズ調整部４３は、入射側集光レンズ４１の位置を変化させることでレーザ光３の集光位置（伝送ファイバ５０への入射位置）を調整可能である。集光レンズ調整部４３の調整方法は詳細を後述する。

【0022】

入射側保持部４２は、伝送ファイバ５０を挿入するための空洞を有し、伝送ファイバ５０の入射側挿入部５５を保持する機能を有している。また、伝送ファイバ５０の入射側挿入部５５は、入射側保持部４２から着脱可能である。

【0023】

入射側角度調整部４４は、伝送ファイバ５０の入射側挿入部５５側の傾きを調整する。入射側角度調整部４４の構造及び調整方法については詳細を後述する。

【0024】

伝送ファイバ５０は、コア５２、クラッド５３、入射側石英ブロック５１、出射側石英ブロック５４を有する。コア５２及びクラッド５３は、略円柱状であり、コア５２の周囲をクラッド５３が囲んでいる。コア５２内に入射したレーザ光３は加工ヘッド６０へ伝送される。入射側石英ブロック５１及び出射側石英ブロック５４は、入射側の伝送ファイバ５０の端面（入射端面５７）及び出射側の伝送ファイバ５０の端面（出射端面５８）に接して設けられている。

【0025】

加工ヘッド６０は、ヘッドハウジング６９、出射側保持部６５、出射側角度調整部６４を有している。

【0026】

ヘッドハウジング６９は、伝送ファイバ５０の出射側挿入部５６が挿入される接続端面６９ａを有し、部分反射ミラー６１、光検出器６２、ミラー６３、コリメートレンズ６６、出射側集光レンズ６７を備える。

【0027】

部分反射ミラー６１は、伝送ファイバ５０から出射したレーザ光３の一部、例えば、０．０１％を反射し、残りのレーザ光３を透過する。

【0028】

光検出器６２は、部分反射ミラー６１で反射されたレーザ光３ｂを受光する。光検出器６２は、例えば、ＣＣＤカメラであって、受光した光の強度や形状等の電気信号を出力する。

【0029】

ミラー６３は、部分反射ミラー６１を透過したレーザ光３を加工ヘッド６０の照射口方向へ反射する。

【0030】

コリメートレンズ６６は、ミラー６３によって反射されたレーザ光３を平行化（均一化）する。また、出射側集光レンズ６７は、コリメートレンズ６６で平行化されたレーザ光を被対象物２に向けて集光する。

【0031】

出射側保持部６５は、伝送ファイバ５０を挿入するための空洞を有し、伝送ファイバ５０の出射側挿入部５６を保持している。また、伝送ファイバ５０の出射側挿入部５６は、出射側保持部６５から着脱可能である。出射側角度調整部６４は、伝送ファイバ５０の出射側挿入部５６側の傾きを調整する。出射側角度調整部６４の構造は入射側角度調整部４４と同様の構造である。出射側角度調整部６４の調整方法については詳細を後述する。

【0032】

制御部８０は、作業者が事前に設定した設定値(後述する閾値Ｗ及び基準スポットサイズ８１)と、光検出器６２から出力された電気信号との比較を行い、比較結果を出力する。作業者は、制御部８０で出力された比較結果を基に、集光レンズ調整部４３、入射側角度調整部４４、出射側角度調整部６４の調整を行い、伝送ファイバ５０の接続を調整する。伝送ファイバ５０の接続調整手順については詳細を後述する。

【0033】

図３は、入射側角度調整部の概念図である。図３(ａ)は、角度調整部の側面図、図３(ｂ)は角度調整部の平面図である。入射側角度調整部４４は集光ハウジング４９と入射側保持部４２との間に設置され、入射側集光レンズ４１で集光されたレーザ光３の光軸３ａに対する伝送ファイバ５０の中心軸４の角度を調整する。入射側角度調整部４４は、入射側角度調整板４８、アジャスタ４５、Ｏリング４６を有する。

【0034】

入射側角度調整板４８は、伝送ファイバ５０を挿入するための空洞を有する（ファイバ挿入部４７）。

【0035】

アジャスタ４５は、例えばネジであり、入射側角度調整板４８に３つ（４５ａ、４５ｂ、４５ｃ）設けられている。アジャスタ４５は、当該アジャスタの締め込み量を変化させることで入射側角度調整板４８の角度を調整する。ここで、３つのアジャスタ４５は、２つが移動可能で１つが移動不可な構成でも良い。例えば、アジャスタ４５ｃが移動不可であった場合、アジャスタ４５ｃが支点となり、他２つのアジャスタ４５ａ、４５ｂの締め込み量を調整することで入射側角度調整板４８の角度を調整する。

【0036】

Ｏリング４６は、反発力をもつ構成であり、入射側調整板４８と集光ハウジング４９の隙間を封止すように設けられている。なお、入射側角度調整板４８は、アジャスタ４５とＯリング４６によって角度が保持される。

【0037】

出射側角度調整部６４は、ヘッドハウジング６９と出射側保持部６５との間に設置されており、ヘッドハウジング６９における伝送ファイバ５０の接続端面６９ａに対する伝送ファイバ５０の出射端面５８の角度を調整する。出射側角度調整部６４の構造は、入射側角度調整部４４と同様の構造であるため説明を省略する。

【0038】

ここで、入射側角度調整部４４は伝送ファイバ５０の入射端面５７を保持するように挿入されることが好ましい。同様に、出射側角度調整部６４は、伝送ファイバ５０の出射端面５８を保持するように挿入されることが好ましい。これは、入射側角度調整部４４及び出射側角度調整部６４による調整の精度を向上させるためである。

【0039】

（伝送ファイバの個体差）
図４は、コア中心に個体差をもつ伝送ファイバの断面図である。図４(ａ)は、交換前の伝送ファイバ５０ａのＸＹ面上の断面図である。図４(ｂ)は、交換後の伝送ファイバ５０ｂのＸＹ面上の断面図である。以下の説明で用いるずれとは交換前の伝送ファイバ５０ａと交換後の伝送ファイバ５０ｂを比較した場合の差分のことを指す。また、灰色の円は、伝送ファイバ５０の入射端面５７におけるレーザ光３のスポット（入射スポット２１）を示している。

【0040】

図４（ａ）及び図４（ｂ）では、入射端面５７における伝送ファイバ５０の中心Ｏに対する、コア５２の中心（コア中心Ｃ）の位置が異なっている。これにより、入射スポット２１の中心Ｐ’がコア中心Ｃからずれてしまう。この場合、図４（ｂ）に示すように、交換後の伝送ファイバ５０ｂでは入射側集光レンズ４１で集光されるレーザ光３の一部がクラッド５３に入射する可能性が高い。レーザ光３がクラッド５３入射すると、伝送ファイバから出射されるレーザ光３の出力低下や局所的な発熱を招くおそれがある。特に、発熱によるダメージが蓄積すると伝送ファイバ５０の破損に繋がる。

【0041】

以上のように、コア中心Ｃに個体差があることで、交換前の伝送ファイバ５０ａにとって適切な条件、すなわち入射側集光レンズ４１のＸＹＺ座標上の位置、が交換後の伝送ファイバ５０にとっては適切でない条件となることがある。したがって、作業者は、後述する方法によってコア中心Ｃのずれを検知し、交換後の伝送ファイバ５０ｂにおいてもレーザ光３が適切に入射するように調整する。

【0042】

図５は、コア中心の個体差検知を説明する概念図である。

【0043】

入射端面５７におけるコア５２の中心位置Ｃのずれは、光検出器６２から出力される出射光強度Ｓをモニタすることで検知可能である。ここで、制御部８０は、コア５２へのレーザ光３の入射位置が正確だった場合の出射強度である閾値Ｗを予め設定されている。レーザ光３がクラッド５３に入射すると、出射端面５８から出射するレーザ光３の出力が低下する。よって、出射強度が閾値Ｗを下回っていた場合は、コア５２へのレーザ光３の入射位置がずれていると判断する。入射位置は、出射強度が閾値Ｗ以上となるように、入射側集光レンズ４１を移動、つまり集光レンズ調整部４３をＸＹＺ方向に移動させることで調整する。

【0044】

具体的には、光検出器６２で出力された出射光強度Ｓが閾値Ｗ以下と判断した場合、まず、集光レンズ調整部４３をＸ軸方向に移動させる。Ｘ軸方向の調整は、出射光強度Ｓが最大となる位置で終了する（図５（ａ））。次に、集光レンズ調整部４３をＹ軸方向に移動させ、出射光強度Ｓが最大となる位置でＹ軸方向の調整を終了する（図５（ｂ））。最後に、集光レンズ調整部４３をＺ軸方向に動かし、出射光強度Ｓが閾値Ｗ以上となった位置でＺ軸方向の調整を終了する（図５（Ｃ））。集光レンズ調整部４３の調整は、例えば、初期位置から＋１μｍずつ動かしたときに、出射光強度Ｓが上昇傾向にあれば、さらに＋１μｍ動かす。これを繰り返し、減少傾向に転じた点から－１μｍの動かした位置を最適位置として調整を終了する。一方、初期位置から＋１μｍ動かしたときに、出射光強度Ｓが減少傾向にあれば、出射光強度のピークはマイナス側にあると判断し、―１μｍ動かす（元の位置に戻す）。さらに―１μｍずつ動かしたときに、出射光強度Ｓが上昇傾向にあれば、さらに―１μｍ動かす。これを繰り返し、減少傾向に転ずるまで同一方向に調整部を動かす。これを繰り返し、減少傾向に転じた点から＋１μｍの動かした位置を最適位置として調整を終了する。最適位置とは、最適位置を原点としたとき、＋１μｍ動かしても、―１μｍ動かしても、出射光強度が減少傾向となる位置のことである。なお、本実施例では１μｍずつ移動する方法について開示したが、調整量はコア直径に対して１～５％の移動量であれば適宜選択可能である。また、集光レンズ調整部４３は、出力光強度Ｓの増減がレーザ発振器からの出力に対して０．１％以上の変化を検知した場合に調整を行う。これにより、無視できるほどの出射光強度Ｓの増減を排除した調整が可能となる。

【0045】

一般的に伝送ファイバは、入射端面５７と出射端面５８で異なる偏角θ_ａｒｇを持つ。図６は、コアの中心軸の偏角に個体差をもつ伝送ファイバを説明する概念図である。図６(ａ)は、交換前の伝送ファイバ５０ａのＹＺ平面の断面図である。図６(ｂ)は、入射端面５７に偏角θ_ａｒｇをもつ交換後の伝送ファイバ５０ｂのＹＺ平面の断面図である。図６(ｃ)は、出射端面５８に偏角θ_ａｒｇをもつ交換後の伝送ファイバ５０ｂのＹＺ平面の断面図である。説明を容易にするため、まず、図６(ａ)及び図６(ｂ)を用いて、交換前の伝送ファイバ５０ａは入射端面５７及び出射端面５８共に偏角θ_ａｒｇを持たず（無視できるほど小さく）、交換後の伝送ファイバ５０ｂは入射端面５７に偏角θ_ａｒｇを持ち、出射端面５８は偏角θ_ａｒｇをもたない場合について説明する。図６に示すように、伝送ファイバ５０はコア５２を有し、レーザ光３はコア５２を通って伝送される。本開示に係る説明において、偏角θ_ａｒｇとは、伝送ファイバの中心軸４とコアの中心軸５のなす角のことである（図６（ｂ）参照）。ここで、入射角度θ_ｉｎとは、伝送ファイバの中心軸４、特に入射端面５７の近傍のコアの中心軸５と、伝送ファイバ５０に入射するレーザ光３のうち最も外側にある光線とがなす角のことである。また、発散角θ_ｏｕｔとは、伝送ファイバ５０から出射されたレーザ光３の光軸３ａと伝送ファイバ５０から出射されたレーザ光３のうち最も外側にある光線とがなす角のことである。

【0046】

図６（ａ）に示すように、交換前の伝送ファイバ５０ａは偏角θ_ａｒｇを持っていないため、光軸３ａと伝送ファイバの中心軸４及びコアの中心軸５は同軸である。この場合、レーザ光３は伝送ファイバ５０ａに入射角度θ_ｉｎで入射すると、伝送ファイバ５０ａからは入射角度θ_ｉｎと同等の発散角θ_ｏｕｔで出射される。一方、図６（ｂ）に示すように、交換後の伝送ファイバ５０ｂは入射端面５７に偏角θ_ａｒｇを持っている。つまり、伝送ファイバ５０ｂに入射するレーザ光３の光軸３ａと伝送ファイバの中心軸４は同軸であるが、光軸３ａとコアの中心軸５は同軸ではない。この場合、レーザ光３は伝送ファイバ５０ｂに入射角度θ_ｉｎで入射したとしても、伝送ファイバ５０ｂから出射される発散角θ_ｏｕｔは入射角度θ_ｉｎと偏角θ_ａｒｇの和となる。つまり、伝送ファイバ５０を交換したことで発散角θ_ｏｕｔが大きくなる。ここで、ビーム品質はコア５２の直径と発散角θ_ｏｕｔの積で決定され、値が小さいほどビーム品質は良い。つまり、発散角θ_ｏｕｔが小さいほどビーム品質は良い値となる。よって、伝送ファイバ５０が入射端面５７において偏角θ_ａｒｇをもち伝送ファイバ５０から出射するレーザ光３の発散角θ_ｏｕｔが大きくなると、ビーム品質が悪化する。なお、発散角θ_ｏｕｔは入射角度θ_ｉｎ及び偏角θ_ａｒｇによって決定されるため、伝送ファイバ５０から出射された後のレーザ光３を光学系で調整してもビーム品質を良化させることは難しい。

【0047】

図６(ｃ)に示す交換後の伝送ファイバ５０ｂは、入射端面５７は偏角θ_ａｒｇを持たず、出射端面５８に偏角θ_ａｒｇをもつ。前述したように、発散角θ_ｏｕｔは入射角度θ_ｉｎ及び偏角θ_ａｒｇによって決定される。よって、出射端面５８に偏角θ_ａｒｇをもつ伝送ファイバ５０ｂは、入射端面５７に偏角θ_ａｒｇをもつ場合のように発散角は増大しない。ただし、伝送ファイバ５０ｂから出射するレーザ光３の光軸３ａが伝送ファイバ５０ｂの中心軸４に対して角度をもって出射される。

【0048】

以上のように、交換後の伝送ファイバ５０ｂに偏角θ_ａｒｇがあることで、交換前の伝送ファイバ５０ａにとって適切な条件、すなわち入射側角度調整部４４及び出射側角角度調整部６４の角度、が交換後の伝送ファイバ５０ｂにとっては適切でない条件となることがある。したがって、作業者は、後述する方法によって偏角θ_ａｒｇのずれを検知し、入射側角度調整部４４及び出射側角角度調整部６４の角度を調整することで、交換後の伝送ファイバ５０ｂにおいてもレーザ光３が適切に入射するように調整する。

【0049】

なお、上記の説明では交換前の伝送ファイバ５０ａは偏角θ_ａｒｇをもたない例を示したが、これに限られず交換前も偏角θ_ａｒｇをもつ場合もある。また、各々の伝送ファイバ５０によって偏角θ_ａｒｇの大きさも異なることは言うまでもない。

【0050】

図７は、入射側角度調整部の調整を説明する概念図である。図７（ａ）は、入射側角度調整部４４調整前のレーザ装置の概念図である。図７(ｂ)は、入射側角度調整部４４調整前の制御部８０の出力結果である。図７(ｃ)は、入射側角度調整部４４調整後のレーザ装置の概念図である。図７(ｄ)は、入射側角度調整部４４調整後の制御部８０の出力結果である。

【0051】

図８は、出射側角度調整部の調整を説明する概念図である。図８（ａ）は、出射側角度調整部６４調整前のレーザ装置の概念図である。図８(ｂ)は、出射側角度調整部６４調整前の制御部８０の出力結果である。図８(ｃ)は、出射側角度調整部６４調整後のレーザ装置の概念図である。図８(ｄ)は、出射側角度調整部６４調整後の制御部８０の出力結果である。

【0052】

図７及び図８では入射側石英ブロック５１及び出射側石英ブロック５４の図示を省略している。以下の説明において、スポット径８２とは、光検出器６２から出力された電気信号の直径のことである。入射端面５７におけるコア５２の偏角θ_ａｒｇのずれは、光検出器６２から得られるスポット径８２をモニタすることで検知される。図７（ｂ）に示すように、制御部８０は、伝送ファイバ５０に入射するレーザ光３の光軸３ａがコアの中心軸５に対して最適な位置にある場合の基準サイズ８１を予め設定されている。前述したように、伝送ファイバ５０が偏角θ_ａｒｇを持っていると、伝送ファイバ５０から出射されるレーザ光３の発散角θ_ｏｕｔが大きくなる。つまり、光検出器６２で撮影されるスポット径８２は基準サイズ８１に対して大きくなる。そこで、図７(ｃ)及び図７(ｄ)に示すように、作業者はスポット径８２が基準サイズ８１以下となるように、入射側角度調整部４４を調整する。言い換えると、作業者はスポット径８２が基準サイズ８１以下となるように、入射側集光レンズ４１で集光されたレーザ光３の光軸３ａに対する伝送ファイバの中心軸４の角度を調整する。これにより、伝送ファイバ５０に入射するレーザ光３とコアの中心軸５の関係を最適化する。本実施例における最適化された状態とは、入射するレーザ光３の光軸３ａとコアの中心軸５が平行となる状態である。

【0053】

具体的には、スポット径８２が基準サイズ８１以上だった場合、入射側角度調整部４４内の３つのアジャスタ４５を移動させ伝送ファイバ５０の角度を調整する。例えば、アジャスタ４５Ｃを支点として固定し、アジャスタ４５ａ及びアジャスタ４５ｂを移動させる場合、まずアジャスタ４５ａを初期位置から＋１ｍｒａｄ分変化させ、スポット径８２が縮小傾向にあれば、さらに＋１ｍｒａｄ分変化させる。これを繰り返し、スポット径８２が増大傾向に転じた点から―１ｍｒａｄ動かした位置を最適位置として調整を終了する。一方、アジャスタ４５ａを＋１ｍｒａｄ動かしたときに、スポット径８２が増大傾向となれば、―１ｍｒａｄ動かす（元の位置に戻す）。さらに―１ｍｒａｄずつ動かしたときに、スポット径８２が減少傾向にあれば、さらに―１ｍｒａｄ動かす。これを繰り返し、増大傾向に転じた点から＋１ｍｒａｄ動かした位置を最適位置として調整を終了する。最適位置とは、最適位置を原点としたとき、＋１ｍｒａｄ動かしても、―１ｍｒａｄ動かしても、出射光強度が減少傾向となる位置のことである。

【0054】

次にアジャスタ４５ｂに対しても同様の操作を行い、スポット径８２が基準サイズ８１以下となるように調整する。

【0055】

ここで、実際の調整手順では、図７に示すように、入射側角度調整部４４の調整前、つまり、スポット径８２が基準サイズ８１以下となるように調整する前に、図８に示すように、スポット径の中心位置Ｐが基準サイズの中心位置Ｑと一致するように出射側角度調整部６４を調整してもよい。これは、基準サイズの中心位置Ｑとスポット径の中心位置Ｐが一致していた方が、一致していない場合よりもスポット径８２を基準サイズ８１に収めることが容易だからである。よって、作業者はスポット径の中心位置Ｐを基準サイズの中心位置Ｑと一致させるように出射側角度調整部６４の角度を調整する。言い換えると、作業者は、スポット径の中心位置Ｐを基準サイズの中心位置Ｑと一致させるように、ヘッドハウジング６９の接続端面６９ａに対する伝送ファイバ５０の出射端面５８の角度を調整する。例えば、図７（ｂ）上部に示すように、スポット径８２がずれていた場合、アジャスタ４５Ｃを支点としてアジャスタ４５ａ及びアジャスタ４５ｂの締め量を調整し、スポット径の中心位置Ｐと基準サイズの中心位置Ｑとを一致させる。

【0056】

基準サイズの中心位置Ｑとスポット径の中心位置Ｐのずれは、前述した伝送ファイバ５０の出射端面５８における偏角θ_ａｒｇのずれだけでなく、出射端面５８におけるコア中心Ｃのずれも含まれる。しかし、本発明では、出射端面５８から出射したレーザ光３が光検出器６２に到達するまでの距離が一定以上、例えば５０ｍｍ以上となるように光検出器６２を設置することで、出射端面５８におけるコア中心Ｃのずれよりも出射端面５８における偏角θ_ａｒｇのずれを大きく検知できる構成としている。

【0057】

このことを出射端面５８から光検出器６２までの光路上の距離が５０ｍｍである場合を例に挙げて説明する。本条件下でコア中心Ｃの個体差が１０μｍあった場合、スポット径の中心位置Ｐは１０μｍずれるだけである。一方、偏角θ_ａｒｇの個体差が５ｍｒａｄあった場合、スポット径８２は５０ｍｍ×５ｍｒａｄ＝２５０μｍずれる。つまり、出射端面５８から光検出器６２までの光路上の距離を一定以上離すことで偏角θ_ａｒｇのずれを大きく観察することが可能となる。

【0058】

ここで、本実施例において、出射端面５８におけるコア中心Ｃのずれよりも出射端面５８における偏角θ_ａｒｇのずれを大きく観察できるように工夫した理由について説明する。レーザ加工時において、出射端面５８における偏角θ_ａｒｇのずれは、加工ヘッド６０から出射されたレーザ光３の光軸３ａのワークに対する角度に影響する。一方、出射端面５８におけるコア中心Ｃのずれは、加工ヘッド６０で集光されるレーザ光の集光点の位置に影響する。ここで、出射側角度調整部６４は、ヘッドハウジング６９における伝送ファイバ５０の接続端面６９ａに対する伝送ファイバ５０の出射端面５８の角度を調整するため、出射側角度調整部６４の調整により伝送ファイバ５０から出射するレーザ光の光軸３ａのワークに対する角度が変化する。したがって、本実施例においては、出射端面５８における偏角θ_ａｒｇのずれを大きく観察できるような構成とした。

【0059】

なお、スポット径の中心位置Ｐのずれがコア５２の直径の１０％以下であった場合は出射側角度調整部６４の調整は行わない。これは、スポット径の中心位置Ｐのずれが１０ｍμｍ以下であった場合は、その原因はコア中心Ｃのずれか、無視できる程度に小さい偏角θ_ａｒｇのずれであると言えるからである。切断加工のように集光点とノズルセンタの一致が強く求められるようなレーザ装置の場合は、別途加工ヘッド６０の出射側集光レンズ６７に位置調整機構（図示無し）を設け、出射側集光レンズ６７の位置調整などにより集光点を調整することで対応可能である。

【0060】

（調整手順）
図９は、伝送ファイバ交換後の接続調整手順を示した図である。本フローは、伝送ファイバ５０の交換後に実施される。まず、レーザ発振を開始し（ステップＳ１）、光検出器６２で受光する出射光強度が閾値Ｗ以上か否かを判断する（ステップＳ２）。光検出器６２で受光した光の強度が閾値Ｗより低かった場合、入射側集光レンズ４１によって伝送ファイバ５０に入射するレーザ光３の光軸３ａの位置（入射位置）を調整する（ステップＳ６）。入射位置の調整後は再び光検出器６２で受光する光が閾値Ｗ以上か否かを判断する（ステップＳ２）。このサイクルは、光検出器６２で受光する光が閾値Ｗ以上となるまで繰り返される。

【0061】

光検出器６２で受光した光の強度が閾値Ｗ以上だった場合、スポット径の中心位置Ｐが事前に設定している基準サイズの中心位置Ｑの範囲内かを判断する（ステップＳ３）。スポット径の中心位置Ｐが事前に設定されている中心位置Ｑの範囲内外であった場合、出射側角度調整部６４によって加工ヘッド６０（ヘッドハウジング６９）の接続端面６９ａに対する伝送ファイバ５０の出射端面５８の角度を調整する（ステップＳ７）。出射側角度調整部６４の調整後、再びスポット径の中心位置Ｐが事前に設定している基準サイズの中心位置Ｑの範囲内かを判断する（ステップＳ３）。このサイクルは、スポット径の中心位置Ｐが事前に設定している中心位置Ｑの範囲内となるまで繰り返される。

【0062】

スポット径の中心位置Ｐが事前に設定している中心位置Ｑの範囲内であった場合、光検出器６２で受光したスポット径８２が基準サイズ８１以下となっているのかを判断する（ステップＳ４）。光検出器６２で受光したスポット径８２が基準サイズ８１以下となっていない場合、入射側角度調整部４４によって入射側集光レンズ４１で集光されたレーザ光３の光軸３ａに対する伝送ファイバの中心軸４の角度を調整する（ステップＳ８）。入射側角度調整部４４の調整後、再び光検出器６２で受光したスポット径８２が基準サイズ８１以下となっているのかを判断する（ステップＳ４）。このサイクルは、光検出器６２で受光したスポット径８２が基準サイズ８１以下となるまで繰り返される。なお、光検出器６２で受光したスポット径８２が基準サイズ８１以下となっている場合、調整を終了する（ステップＳ５）。

【0063】

入射側集光レンズ４３による入射位置の調整（ステップＳ２）を最初に行うことで、その後の入射側角度調整部４４の調整（ステップＳ４）において、入射位置のずれの可能性を排除してモニタすることが可能となる。また、本フローは伝送ファイバ５０の交換後のみならず、その後定期的に実施しても良い。
（効果等）
本実施例ではレーザ光３の入射端面５７におけるコア中心Ｃのずれ及び入射端面５７における偏角θ_ａｒｇのずれを検知可能である。これにより、伝送ファイバ５０の交換後のビーム品質の悪化をより抑制できる。また、作業者の負担を低減でき、さらには、伝送ファイバ５０の交換作業によるダウンタイムを削減できる。また、本実施例では、出射端面５８における偏角θ_ａｒｇのずれも検知可能である。これにより、伝送ファイバ５０の接続調整の精度をさらに向上させることが可能となる。

【0064】

また、本実施例では、伝送ファイバ５０から出射したレーザ光３をモニタすることで、単一の光検出器６２でレーザ光３の入射端面５７におけるコア中心Ｃのずれ、入射端面５７における偏角θ_ａｒｇのずれ、及び出射端面５８における偏角θ_ａｒｇのずれを検知可能である。言い換えると、レーザ光３の入射端面５７におけるコア中心Ｃのずれ、入射端面５７における偏角θ_ａｒｇのずれ、及び出射端面５８における偏角θ_ａｒｇのずれをモニタするためにそれぞれ専用の光検出器を設ける必要がない。さらに、本実施例では、レーザ発振器１０から出射されたレーザ光３を使用して角度調整を行っているため、新しい光源を設置する必要もない。これらは、製造費用を抑えるという面で有用である。

【0065】

ここで、上記の説明では、レーザ光の入射端面５７におけるコア中心Ｃのずれ、入射端面５７における偏角θ_ａｒｇのずれ、及び出射端面５８における偏角θ_ａｒｇのずれは、伝送ファイバ５０の個体差に起因するものとして説明したが、レーザ装置１への取付け時に生じるものもある。本実施例では、取り付け後の伝送ファイバ５０ｂから出射されたレーザ光３をモニタし調整を行うため、伝送ファイバ５０自体の個体差だけでなく、取付け時に生じる個体差も検知し修正することが可能である。

【0066】

［実施の形態２］
加工ヘッド６０のコンパクト化を目指す場合、光検出器６２を小さく、つまりスポット径８２も小さくすることが求められる。よって、本実施例では、加工ヘッド６０の小型化ができる構成を提案する。

【0067】

以下で開示する実施例の説明は、実施の形態１とは異なる構成のみ記載する。

【0068】

図１０は、実施の形態２を説明する概念図である。実施の形態２に係るレーザ装置のヘッドハウジング６９は、コリメートレンズ６６が部分反射ミラー６１以前の光路系に設けられている。

【0069】

コリメートレンズ６６は、出射端面５８から出射されたレーザ光３を平行化する。部分反射ミラー６１は、コリメートレンズ６６で平行化されたレーザ光３の一部、例えば０．０１％を反射し、残りのレーザ光３を透過する。

【0070】

光検出器６２は、部分反射ミラー６１で反射したレーザ光３ｂを受光する。ミラー６３は、部分反射ミラー６１を透過したレーザ光３を加工ヘッド６０の照射口方向へ反射する。出射側集光レンズ６７は、コリメートレンズ６６で平行化されたレーザ光を被対象物２に向けて集光する。

【0071】

ここで、出射端面５８から出射したレーザ光３は、コリメートレンズ６６で平行化されるまでビームサイズが大きくなる。言い換えると、コリメートレンズ６６までの距離によって光検出器６２で受光するスポット径８２の大きさが決定される。よって、実施の形態２のように、コリメートレンズ６６を部分反射ミラー６１以前の光路系に設けることで、スポット径８２が出射端面５８から光検出器６２までの距離で決定されていた実施の形態１の構成よりもスポット径８２の大きさを決定するまでの距離が短くなり、その結果スポット径８２を小さくすることができる。つまり、加工ヘッド６０のサイズに合ったスポット径８２の調整が容易となる。

【0072】

実施の形態１の構成及び実施の形態２の構成は加工ヘッド６０のサイズに応じて適宜選択される。なお、伝送ファイバ５０の接続調整手順は実施の形態１に記載の調整手順と同様である（図９参照）。

【0073】

［変形例］
以上、本開示の構成を、実施形態に基づいて説明したが、本開示は上記実施の形態に限られない。また、上記実施の形態に記載した材料、数値などは好適なものを例示しているだけであり、それに限定されることはない。さらに、本開示の技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、レーザ装置の構成に適宜変更を加えることは可能である。

【0074】

例えば、集光レンズ調整部４３、入射側角度調整部４４、出射側角度調整部６４の調整は、制御部８０からの指示によって自動で制御してもよい。自動調整の場合、集光レンズ調整部４３、入射側角度調整部４４、出射側角度調整部６４に、無線もしくは有線で制御部８０と通信可能な受信機、及び、受信機からの指示によって其々の光学系の調整が可能なモータを設けることで実現可能である。

【0075】

例えば、光検出器６２は、光の強度分布を出力可能であれば、サーモパイル等であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0076】

本開示は、より容易に伝送ファイバの位置調節を行えるレーザ装置及び伝送ファイバ接続調整方法として有用である。

【符号の説明】

【0077】

１ レーザ装置
２ 被対象物
３ レーザ光
３ａ 光軸
４ 伝送ファイバの中心軸
５ コアの中心軸
１０ レーザ発振器
４０ 集光ユニット
４１ 集光レンズ（入射側集光レンズ）
４３ 集光レンズ調整部
４４ 入射側角度調整部
５０ 伝送ファイバ
５７ 入射端面
５８ 出射端面
６０ 加工ヘッド
６９ａ 接続端面
６１ 部分反射ミラー
６２ 光検出器
６４ 出射側角度調整部
６６ コリメートレンズ
８０ 制御部
８１ 基準サイズ
８２ スポット径
Ｑ 基準サイズの中心位置
Ｐ スポット径の中心位置
Ｓ 出射光強度
Ｗ 閾値

【要約】

【課題】伝送ファイバに入射するレーザ光の入射角度をより容易に適切な条件に調整できるレーザ装置および伝送ファイバ接続調整方法を提供する。
【解決手段】
本開示に係るレーザ装置は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザ光を集光する集光レンズと、集光レンズで集光されたレーザ光を伝送する伝送ファイバと、伝送ファイバから出射されるレーザ光のスポット径が基準サイズ以下となるように、集光レンズで集光されたレーザ光の光軸に対する伝送ファイバの中心軸の角度を調整する入射側角度調整部と、を有する。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】